“星链”的系统架构与应用场景.pdf

4 2 0 2 4年3期2 0 2 4年第4 6卷第3期“星链”的系统架构与应用场景柏 亮 刘翔舸作者简介:柏亮(1 9 8 6-),博士,高级工程师,研究方向为电子信息科学与技术;刘翔舸(1 9 8 4-),博士,高级工程师,研究方向为电子信息科学与技术。(中国电子科技集团有限公司电子科学研究院 北京1 0 0 0 4 1)摘 要“星链(S t a r l i n k)”是美国太空探索技术公司(S p a c e X)正在构建的新型低轨巨型星座,旨在提供全球宽带互联网服务,其系统架构包括卫星星座、地面终端、数据传输链路、星链地面站等。文中分析了星链技术体制中的关键技术,如卫星制造与发射技术、天地通信技术、终端设备与数据处理技术、任务调度与控制技术等。关键词:星链;卫星星座;地面终端;天地通信;任务调度中图分类号 T N 9 2 9.5S y s t e mA r c h i t e c t u r ea n dA p p l i c a t i o nS c e n a r i o so f“S t a r l i n k”B A IL i a n ga n dL I UX i a n g g e(C h i n aA c a d e m yo fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,B e i j i n g1 0 0 0 4 1,C h i n a)A b s t r a c t “S t a r l i n k”i san e wl o w-o r b i tg i a n tc o n s t e l l a t i o nb e i n gb u i l tb yS p a c e Xt op r o v i d eg l o b a lb r o a d b a n di n t e r n e ts e r v i c e s.I t s s y s t e ma r c h i t e c t u r e i n c l u d e s s a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o n,g r o u n de n dp o i n t,d a t a t r a n s m i s s i o n l i n k,S t a r l i n kg r o u n ds t a t i o n,e t c.T h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h eS t a r l i n kt e c h n o l o g ys y s t e ma r ea n a l y z e d,s u c ha ss a t e l l i t em a n u f a c t u r i n ga n dl a u n c h i n gt e c h n o l o g y,h e a v e na n de a r t hc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,e n dp o i n t e q u i p m e n t a n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,t a s ks c h e d u l i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g y,e t c.K e y w o r d s S t a r l i n k,S a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o n,G r o u n dt e r m i n a l,S k ya n de a r t hc o mm u n i c a t i o n,T a s ks c h e d u l i n g0 引言2 0 1 5年,美国S p a c e X公司(太空探索技术公司)提出的星链(S t a r l i n k)计划是迄今为止规模最大的巨型低轨卫星星座,其在近地轨道部署约4.2 1 04颗小型卫星,实现了全球范围内全天候、低时延的高速互联网接入服务。本文旨在深入探讨星链的技术体制,重点剖析其系统架构、关键技术和应用场景。1 星链的系统架构与组成星链是S p a c e X公司正在构建的非对地静止轨道(N o n-G e o S t a t i o n a r yO r b i t,N G S O)卫星系统,整个计划(共2期)由4.21 04颗卫星组成,其第一期星链(星链一代)由2个子星座、1.21 04颗卫星以及相关地面控制设施、网关地球站(G a t e w a y)和用户网络终端构成;第二期星链(星链二代)计划在3 4 06 1 4k m之间9个不同轨道高度、多个倾斜轨道面上部署2 9 9 8 8颗卫星,以增加太阳同步轨道卫星数量,并提升卫星在纬度上的均匀分散能力,以实现更好、更一致的全球覆盖。2 0 1 5年1月,S p a c e X公司宣布了建造大型互联网星座的计划;2 0 1 8年2月,成功发射了两颗试验卫星;2 0 1 9年5月,首批6 0颗卫星发射成功,并配合2颗试验卫星,完成了星载天线与推进系统的测试;2 0 2 2年3月,星链系统总发射卫星数已超过2 3 0 0颗,处于运行状态的卫星近2 0 0 0颗,开始为3 2个国家和地区正式提供星链服务,全球用户数超过2 5万。1.1 星链的轨道信息与参数星链作为一个庞大的卫星星座,其构建和运行涉及许多方面,其中卫星的轨道参数设计至关重要。这些参数包括卫星轨道的椭圆度、升降轨道变化等,是确保星链卫星在运行过程中能保持位置和速度的关键。通过数学模型和公式精确描述这些轨道参数,能确保卫星在空间中按预期轨道运行,从而支持星链的全球性覆盖和服务。轨道椭圆参数如式(1)所示:r=a(1-e2)1+ec o s()(1)其中,r是距离,a是椭圆长半轴,e是离心率,是真近点角。卫星轨道参数如表1所列。表1 卫星轨道参数卫星编号椭圆轨道长半轴(a)/k m离心率(e)真近点角()/18 0 0 00.0 53 0 28 5 0 00.0 34 537 8 0 00.0 86 02 0 2 4年3期 5 1.2 星链的地面终端星链的地面终端是星座系统与用户交互的关键部分,其中包括专门用于星链卫星通信的天线、接收器和数据处理单元。地面终端的设计需要考虑星链特有的参数,如天线与星座之间的频率匹配、数据传输速率的优化以及信号接收效率的最大化。精准调整这些参数,能确保地面终端设备与星链卫星之间的高效通信,进而提升整个星链系统的性能和服务质量。地面终端的信号传输效率可以通过信噪比(S N R)公式来衡量,如式(2)所示:S NR=PsPn(2)其中,Ps是信号功率,Pn是噪声功率。1.3 星链的星间链路数据传输链路在星链系统中扮演着关键角色,用于连接卫星与地面终端,实现双向通信。这些链路负责卫星向地面传送数据以及地面向卫星发送指令。在传输过程中,数据链路会受到多种影响,如信道衰减和信号传播时间延迟。评估数据链路的质量和稳定性通常需要考虑星链特有的信号传输方程和数据传输速率。在数据传输链路中,传输速率R可以通过香农公式估算,如式(3)所示:R=B l o g(1+S NR)2(3)其中,B是带宽。数据传输率如表2所列。表2 数据传输速率地面终端编号信号功率(P_s)/d B m噪声功率(P_n)/d B m信噪比(S N R)/d BA1 028B1 531 2C1 22.59.51.4 星链的地面站星链地面站在星座系统中扮演着关键角色,负责卫星运行管理、数据交换和信号控制。地面站配备了各种设备和系统,如控制中心和数据处理单元。地面站设计涉及信号处理算法、任务调度模型等技术,其可以通过数学式描述任务分配和系统优化。这些组成部分共同构成了星链系统的完整体系,其设计和优化需要考虑星链特有的技术参数、数学模型和工程实践。这种设计能确保星链系统稳定、高效地运行,并满足不同领域的需求。其中,可以利用线性规划模型描述任务分配问题,如式(4)所示:M a x i m i z e Z=c1x1+c2x2+cnxnS u b j e c t-t o-c o n s t r a i n sa1 1x1+a1 2x2+a1nxnb1(4)a2 1x1+a2 2x2+a2nxnb2x1,x2,xn0其中,x1,x2,xn是任务变量,c1,c2,cn是各任务的权重,ai j是任务约束系数,bi是任务限制条件。2 星链系统的关键技术2.1 卫星制造与发射技术卫星制造与发射技术对于星链的构建至关重要。在卫星制造方面,需考虑卫星的功能需求和载荷设计,整合通信设备、传感器和电力系统,以满足空间功能1-2。此外,热控制、姿态控制、能源管理等优化设计,可以确保卫星在极端环境下稳定运行。卫星发射是复杂而精密的工程,综合考虑载具性能、卫星质量、轨道要求等,来选择发射载具和时机。轨道设计和调整可以保证卫星按预期轨道运行,实现通信、导航或监测功能。运用牛顿力学和开普勒定律进行轨道计算和调整,则可以确保卫星稳定运行,并满足通信需求。卫星发射也面临着较大的技术挑战和安全风险,需考虑振动、空气动力学影响、燃料供给和分离等风险因素。星链卫星制造与发射过程需要经过系统、全面的考量,确保卫星安全、可靠地进入预定轨道并执行任务。2.2 天地通信技术天地通信技术在星链系统中扮演着关键角色,其旨在实现卫星与地面终端之间的高效数据传输和通信连接。星链的天地通信技术依赖于信息论、信号处理等理论基础,以优化数据传输质量,提升传输速率,保障通信安全。面对挑战,首要任务是克服信号传输过程中的噪声干扰和信道衰减问题。优化信噪比和信道编解码技术发挥了重要作用,增强了信号的清晰度和可辨识度。引入前向纠错码和调制等方式,可以提高数据传输的可靠性和稳定性,提升数据传输质量和可靠性。天地通信技术也考虑了数据传输速率和信道容量的最大化。基于香农信息论,系统优化了数据传输速率与带宽之间的关系,以在有限的带宽条件下实现最大化的传输效率。这使星链系统能满足不同领域对高速数据传输的需求,并应用于通信、广播、互联网接入等多个领域。安全性和隐私保护是天地通信技术的重要考量,因此加密技术在星链系统中也扮演了关键角色,以确保数据的安全性和保密性。采用现代加密技术和安全协议,可以防止数据泄露和恶意攻击,为通信领域的安全性提供保障。2.3 终端设备与数据处理技术终端设备和数据处理技术也至关重要,其直接影响着卫星信号的接收、处理和转换,是构成星链系统数据传输的核心环节。地面终端设备作为星链用户接入点,需考虑信号接收、解码、数据处理等功能。为正确接收卫星信号,地面终端的天线系统设计需考虑天线增益、方向性和多频段信号接收能力,确保高质量信号的接收。解码和数据提取需要采用高效的信号处理器和数据处理算法,确保数据的准确性和完整性3。数据处理技术在地面终端的作用也至关重要。地面终端接收到的信号可能包含大量信息,因此需要应用高效的数据处理技术对其进行解析和提取,如解码、解析、转换、存储等。针对不同的场景,数据处理技术可移动信息6 2 0 2 4年3期以通过滤波、解调、去噪等算法来进行数据处理,提高数据的质量和可用性。在卫星上,数据处理单元同样至关重要。卫星上的数据处理系统需要正确处理接收到的信息,包括地面信号接收、数据解码、存储和转发等,这需要应用到处理器、存储设备、通信设备等4。终端设备和数据处理技术的不断创新和优化,使星链系统能更高效地接收、处理和传输数据,为通信、导航、监测等领域提供可靠的数据支持。这些技术的进步不仅提升了卫星信号的传输效率和数据质量,也为星链技术的发展和应用奠定了坚实的基础。2.4 任务调度与控制技术在星链技术中,任务调度与控制技术是确保卫星运行、数据传输和地面站操作的关键。该技术涉及对卫星、地面终端和整个星链系统的任务分配、资源管理和系统控制。任务调度涉及卫星任务的合理规划和分配,包括卫星轨道优化配置、通信任务排程和协调,以确保卫星高效覆盖特定区域或执行特定任务。通过线性规划、遗传算法、模拟退火等算法,可有效优化卫星任务调度,最大化地满足不同地区和用户的通信需求。控制技术在星链系统中扮演着关键角色,特别是在地面站的运行和管理中。地面站任务包括卫星轨道调整、数据传输和信号控制,需要实时监控和响应。应用自动化控制系统和传感器技术对卫星运行状态进行监测和调整,可以确保卫星运行的稳定性和数据传输的有效性5。此外,通过任务调度与控制技术,可以对地面终端和数据处理系统进行管理。地面终端需根据不同用户的需求和通信要求进行资源调度和分配,保证数据传输的高效性。控制数据处理系统涉及数据存储、加工和传输,需要有效管理数据流和系统运行。任务调度优化结果如表3所列。表3 任务调度优化结果任务编号权重系数资源分配结果/%10.42 020.33 030.65 03 星链的应用场景分析3.1 在通信领域中的应用星链在通信领域中的应用具有革命性意义,其全球性的覆盖和高速的数据传输能力,为通信行业带来了巨大的变革。星链系统的建立使偏远地区、海洋、空中以及地面都可以接入高质量的通信网络。在通信领域中,星链技术提供了低延迟、高带宽的连接,对于实时通信、视频会议、互联网接入等有着显著的改进作用。利用香农极限等理论基础,星链系统优化了信道容量和数据传输速率,有效解决了传统通信系统在覆盖范围和速度上的局限性。3.2 在导航领域中的应用星链在导航领域扮演着关键角色。其全球覆盖和高精度定位特性,为导航系统提供了可靠的支持。通过卫星定位和通信,星链系统能提供实时的位置信息,可应用于航空、航海、车辆导航等领域。其中,可利用地面终端设备接收卫星信号,并利用数据处理技术实现精准定位。这种高度可靠的定位系统不仅提高了导航的精度,也为交通运输、物流、紧急救援等领域的安全和效率提供了保障。3.3 在监测与观测领域中的应用星链在监测与观测领域有着广泛的应用。全球性覆盖和数据传输能力,使其成为环境监测、灾害预警、资源管理等的重要工具。通过卫星监测,可以实现对地表的全面监测,包括气象变化、自然资源利用、环境污染等。星链系统利用卫星地面站和数据传输链路,可以将获取的数据传输到地面终端进行分析处理,及时监测地球的各种变化。这种监测能力在农业、气象学、地质学、环境保护等领域具有重要意义,为科学研究和应急响应提供了强大支持6。3.4 在人工智能领域中的应用星链在人工智能领域中的应用日益成为关注焦点,其庞大的数据传输能力和全球性覆盖为人工智能技术提供了广阔的舞台。通过星链系统,可以实现对遥感数据的高效采集与传输,为人工智能算法提供大规模的数据支持,从而加速地表监测、气象预测等领域的发展。另外,星链的通信能力为人工智能应用提供了更稳定的数据传输通道,特别是在远程地区或灾难事件中,其能支持人工智能技术在医疗、救援、应急响应等领域的应用。星链系统的高速传输和低延迟特性,也为实时数据处理与分析提供了可靠保障,使人工智能算法能更快地作出决策,应对各种复杂情况。4 结语星链系统为通信、导航和监测领域带来了变革,其全球性覆盖和高效数据传输能力,为偏远地区提供了可靠的通信网络,为导航系统提供了精准的定位服务,并在监测与观测领域提供了实时数据支持。星链技术的不断创新和应用,拓展了科技边界,为各领域的发展和应用提供了新的可能。未来,其将继续推动科技创新,为人类社会的发展带来更多的机遇与挑战。参考文献1徐鸥.5 G通信技术应用场景和关键技术分析J.电子乐园,2 0 1 9(6):1 1 2.2何康.星链:全球卫星互联网时代的传播体系重构J.湖南工业大学学报:社会科学版,2 0 2 0,2 5(4):2 3-3 1.3张永,赵薛强,王小刚.高精度G P S星链差分系统在珠江河口水下地形测量中的应用J.人民珠江,2 0 1 3(3):4 4-4 7.4姜剑涛.区块链技术在金融行业的应用研究分析J.海峡科技与产业,2 0 2 1,3 4(3):4 7-4 9.5张忠林,王玲.区块链技术在图书馆的应用场景分析J.图书与情报,2 0 1 8(6):1 1 0-1 1 2.6钱峰,成建国,张志远.区块链技术在水利行业应用场景的分析J.水利信息化,2 0 2 0(5):1-6.移动信息